碳纖維傳動軸設(shè)計制造與檢測理論及技術(shù)研究.pdf

1、傳動軸是機械裝備中用于傳遞扭矩的關(guān)鍵部件，在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。機械裝備的快速發(fā)展對傳動軸提出了越來越高的要求，而金屬材料傳動軸由于其自身的局限性，約束了傳動軸性能的提升。解決此問題的主要途徑之一是采用復(fù)合材料取代金屬材料制備高性能傳動軸。碳纖維復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強、熱膨脹系數(shù)小、吸振性能好等優(yōu)點，采用碳纖維復(fù)合材料制備的傳動軸具有質(zhì)量輕、強度高、尺寸穩(wěn)定性高、傳動效率和傳動精度高等一系列獨特優(yōu)勢。本文重點對碳纖維復(fù)合材料傳動軸的結(jié)構(gòu)

2、設(shè)計、制造工藝和性能試驗展開研究，主要研究內(nèi)容如下：
　　在碳纖維復(fù)合材料傳動軸設(shè)計理論和技術(shù)方面，將碳纖維復(fù)合材料傳動軸歸類為纖維增強復(fù)合材料圓柱殼結(jié)構(gòu)，針對碳纖維復(fù)合材料傳動軸結(jié)構(gòu)設(shè)計中的兩大核心問題，即力學(xué)性能和失效準(zhǔn)則，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)的層面上探討了復(fù)合材料圓柱疊層殼的基礎(chǔ)力學(xué)問題，為后續(xù)碳纖維復(fù)合材料傳動軸的設(shè)計奠定基礎(chǔ)。以碳纖維復(fù)合材料電機傳動軸為例，根據(jù)該軸的設(shè)計要求選取T300/5208碳纖維復(fù)合材料作為傳動軸的

3、主要材料，通過對比分析，確定傳動軸的結(jié)構(gòu)形式；再根據(jù)傳動軸的鋪層原則輔以有限元仿真分析，確定了傳動軸軸管的鋪層方案；最后根據(jù)傳動軸的載荷條件和使用環(huán)境，確定了膠接形式、膠層厚度、膠接長度等膠接工藝參數(shù)等；通過該碳纖維復(fù)合材料電機傳動軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計，提出并建立了一般碳纖維復(fù)合材料傳動軸結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則和設(shè)計方法。
　　在碳纖維復(fù)合材料傳動軸的制備中，研究并探討了碳纖維軸管的成型方法，提出了碳纖維軸管的成型工藝和具體工序；確定了碳纖維

4、軸管與金屬法蘭的膠接工藝。通過深入研究，發(fā)現(xiàn)了在碳纖維復(fù)合材料軸管制備過程中，合理選擇工藝參數(shù)是充分發(fā)揮原料的特性，制造高質(zhì)量纏繞制品的重要環(huán)節(jié)。在碳纖維復(fù)合材料傳動軸的靜力學(xué)測試中，分別進(jìn)行了傳動軸的靜扭試驗和疲勞試驗，結(jié)果表明：制備的碳纖維復(fù)合材料傳動軸試件在5492Nm扭矩的載荷下仍未失效，大于傳動軸的最大扭矩5155.2Nm；傳動軸扭轉(zhuǎn)疲勞次數(shù)高于18萬次，滿足扭轉(zhuǎn)疲勞要求，為傳動軸的制備提供了有效依據(jù)。
　　對碳纖維復(fù)合

5、材料傳動軸進(jìn)行了動力學(xué)仿真與試驗。首先采用有限元方法計算出傳動軸的模態(tài)參數(shù)，然后通過復(fù)合材料傳動軸的模態(tài)實驗對有限元仿真結(jié)果進(jìn)行驗證，其中分別對碳纖維復(fù)合材料軸管和碳纖維復(fù)合材料傳動軸進(jìn)行有限元模態(tài)分析，研究結(jié)果表明：考慮金屬端后，整個傳動軸的三階固有頻率依次下降52.52％，31.52%和26.38%，表明金屬端對碳纖維復(fù)合材料傳動軸的固有頻率有很大影響。在模態(tài)試驗中，構(gòu)建了傳動軸的模態(tài)試驗平臺，采用錘擊法測量傳動軸的固有頻率和振型，

6、模態(tài)測試結(jié)果與考慮金屬端的仿真結(jié)果基本一致，通過實驗研究，驗證了碳纖維復(fù)合材料傳動軸的模態(tài)有限元仿真以及金屬端對碳纖維復(fù)合材料傳動軸的固有頻率有很大影響的假設(shè)。進(jìn)而提出了采用仿真分析與模態(tài)試驗兩種方法相結(jié)合的動力學(xué)實驗與分析思路，證明了在碳纖維復(fù)合材料傳動軸設(shè)計與制造的研究過程中，其動力學(xué)分析不可忽略且十分重要。
　　利用光纖光柵傳感器對碳纖維復(fù)合材料軸管進(jìn)行了固化監(jiān)測。通過手工鋪層和熱壓固化的方法制備了碳纖維復(fù)合材料軸管試件，在

7、碳纖維復(fù)合材料軸管的鋪層中部埋入溫度補償光柵和測量溫度及應(yīng)變的光柵，在碳纖維復(fù)合材料軸管固化過程中在線監(jiān)測了軸管內(nèi)部的溫度和應(yīng)變，通過溫度補償?shù)玫搅藘?nèi)部熱應(yīng)變，在軸管完全冷卻后，通過光纖光柵傳感器測得碳纖維復(fù)合材料軸管的熱殘余應(yīng)變?yōu)?05με，表明固化結(jié)束后碳纖維復(fù)合材料軸管內(nèi)部存在一定的熱殘余應(yīng)變，可能成為碳纖維復(fù)合材料軸管在后續(xù)服役過程中產(chǎn)生裂紋、脫層等損傷的隱患。結(jié)果表明，在手工鋪層的碳纖維復(fù)合材料軸管中埋入光纖光柵傳感器的工藝是